世界面临化肥难题，生物工程玉米或能拯救我们

回想起来，2018年9月中旬威斯康星州的一片玉米地并不是举办学术研讨会的最佳地点。天气炎热，马蝇成群。阳光在白色海报板上投下刺眼的眩光，附近谷物升降机发出的金属“咔嗒咔嗒”声有时让人难以听清主讲人的话。主讲人是沃尔特·戈德斯坦（Walter Goldstein），一位说话轻声细语、60多岁的人。他邀请了大约30位研究人员和农民来到这片田地，目的是阐明一个观点：玉米在几乎不施氮肥的情况下也能茁壮成长。

“我们使用的氮肥太多了，”戈德斯坦说。“它正在污染我们所有的水……它正在污染密西西比河。这太糟糕了，然而为了获得产量我们又需要它。”

戈德斯坦是威斯康星州日内瓦湖非营利组织Mandaamin研究所的农学家、创始人兼执行董事，他说他几十年来一直在低肥条件下培育玉米。他让一位助手举着一张海报板，上面贴着一张玉米行的大照片。“你们能看到这里的颜色差异吗？”戈德斯坦问道。照片的一边是他培育的玉米行，明显比另一边种植的商业玉米行更鲜艳、更深绿。这种深绿色表明植物获得了充足的氮，这是它们生长和制造叶绿素（光合作用必需的绿色色素）所必需的基本元素。

尽管商业玉米通常从土壤中腐烂的有机物质中获取一些氮，但它主要来自农民施用的肥料——无论是粪肥等有机肥，还是氨等无机肥（参见“一个世纪的氨”，对页）。然而，戈德斯坦说他没有给他的绿色作物施肥。相反，他培养了能与微生物合作的品种，这些微生物将氮“固定”成植物可利用的形式。

戈德斯坦的微生物以粉末形式存在，他在播种时将其撒在土壤中。这些特殊的细菌能将空气中植物无法利用的氮气转化为富含氮的氨，植物可以利用氨。作为回报，植物为固氮细菌提供庇护和它们生存所需的糖类碳水化合物。

这些微生物增强了玉米的活力，这有些出乎意料。长期以来，科学家们认为这些微生物只存在于豆科植物（如大豆、豌豆和苜蓿等豆类家族成员）根部的根瘤中，而不是玉米中。根瘤为微生物提供了安全的地方，使其能够生产固氮所需的酶——固氮酶，同时保护它们免受氧气影响，因为氧气会抑制该反应。

但多年来，研究团队还在其他物种的根瘤中发现了固氮菌，例如红桤木和某些热带树木和灌木。他们还在甘蔗和一些树木的植物组织中发现了它们。去年，研究人员发表了一份报告，称墨西哥的一种古老玉米品种也含有固氮菌。尽管以前没有根瘤的植物似乎不可能与细菌合作获得这种必需营养素，但现在越来越清楚事实并非如此。最重要的是，对于玉米这种地球上最需要氮的作物来说，情况并非如此。

几十年来，科学家们一直致力于寻找一种减少施肥种植玉米的方法。一些人正在利用基因工程技术专注于植物本身，另一些人一直在尝试微生物，还有一些人，像戈德斯坦一样，一直在使用经典育种方法，挖掘植物与细菌合作的古老能力。

这些科学家的发现可能会颠覆我们所知的农业，通过减少全球肥料使用量——同时仍能产生维持我们文明所需的产量。

一个世纪的氨

几个世纪以来，种植者依靠粪肥和轮作来保持土壤肥沃。但在1908年，德国化学家弗里茨·哈伯和卡尔·博世发明了一种将氮气和氢气转化为液态化学品——氨——的方法，氨可以喷洒到土壤中，使其几乎立即变得肥沃。这种相对便宜且易于与其他养分如磷、钾和硫混合的新型施肥方式引发了一场农业革命。作物产量猛增30%至50%。世界人口也随之增长，从1900年的16.5亿增加到今天的76亿。

然而，使用化肥是有代价的。制造它产生了全球3%的碳排放。美国大多数商业农民每英亩施用160到220磅主要是无机肥料。其中近三分之一到一半流失到环境中。

雨水可以将肥料渗入土壤，污染地下水。土壤细菌会处理无机和有机肥料中的氨，并将其转化为一氧化二氮，这是继二氧化碳和甲烷之后第三大温室气体。被冲入河流、湖泊和海洋后，氮会增加微生物的数量。有毒的蓝细菌会毒害鱼类和其他水生动物。藻类大量繁殖会降低水中的氧气含量。死亡海洋动物的腐烂会进一步消耗水中的氧气，造成死区，例如墨西哥湾和切萨皮克湾的死区。

无机肥料已成为农业领域的一个悖论，它污染了它所滋养的世界。没有它，产量将下降40%，数百万人面临饥饿的风险。但如果玉米——美国最普遍的作物——能够自行固氮，一些估计表明，该作物的肥料使用量可下降25%至50%。

跳过中间环节

近20年来，西班牙马德里植物生物技术与基因组学中心的副教授路易斯·鲁比奥（Luis Rubio）一直被一个简单的问题困扰：为什么植物不能在没有微生物帮助的情况下自行固氮？

他怀疑这是因为植物无法产生固氮酶。“这是一个挑战：让我们把它变为可能，”他说。对鲁比奥来说，这意味着将产生固氮酶的遗传指令从细菌转移到玉米细胞中。

这涉及一系列挑战。细菌产生酶的方式与植物细胞不同——差异之大以至于简单地转移基因是行不通的。除此之外，固氮反应的指令很复杂，是一个由10到20个不同基因组成的谜题——每个基因都需要以精确正确的顺序组装，才能使整个系统正常工作。

自2012年以来，鲁比奥和他的同事一直在利用基因工程和计算机科学来克服这些障碍。首先，他们搜索数据库，寻找可能能够执行特定功能的细菌细胞基因，例如制造固氮酶的某个部分。

一旦他们确定了这样的目标，科学家们就会制作该基因的合成副本，并将其插入酵母中，酵母生长繁殖迅速，以制作其他副本。接下来，他们提取基因产物——蛋白质——对其进行纯化，并检查其功能是否良好。如果功能良好，该基因随后与另一个以相同方式分析的基因结合，以查看两者是否配合良好。如果配合良好，该亚群再与另一个亚群结合，并分析它们协同工作的情况。基因一遍又一遍地被复制和测试，首先是单独测试，然后是与其他基因一起测试，慢慢地增加遗传指令链。

到目前为止，鲁比奥的团队已经成功让20个基因中的15个良好协同工作，分为三个独立的子集，每个子集只有几个基因。最近，他们开始在水稻中测试一系列工作基因，水稻比酵母更复杂。这种作物与玉米相似，但更容易操作。

鲁比奥说，将这个科学难题拼凑起来并将其植入玉米可能还需要二十年。研究人员成功后，他们的目标是将工程酶导入玉米细胞的线粒体中，那里是能量自然产生的地方；它将在那里免受破坏反应的氧气影响。这种生物工程玉米如果成功，将直接从空气中获取所需的氮。

问题的根源

它是白色的。它是黏滑的。它是令人沮丧的。那个月，时任华盛顿大学生物化学系博士后研究员的莎伦·L·多蒂（Sharon L. Doty）第一百次地盯着一个玻璃培养皿，里面又有一小块被大量黏液污染的树木切片。细菌。它正在搞砸她的实验。她把黏液送出去进行DNA测序，想着如果能识别出细菌，就能杀死它。

但多蒂惊讶地发现，这些黏液是由一种常见的土壤细菌——热带根瘤菌（Rhizobium tropici）组成的，这种细菌能在豆科植物根瘤的低氧环境中固氮。以前从未有人在植物家族之外的树木茎、枝或叶组织中发现根瘤菌。多蒂随后在其他杨树和柳树中发现了几种不同类型的内生菌，即生活在植物组织内的细菌。

在接下来的18年里，她一直试图说服科学界，她发现了固氮内生菌。许多人对她不屑一顾，因为这项研究与固氮微生物只生活在特定植物根瘤中的教条相悖。“正是我的固执，让我一直坚持不懈地推进这项工作，”多蒂说。

努力得到了回报。2016年，她在《PLOS One》上发表了一篇关于她在杨树中发现的固氮内生菌的报告。那时，她也已将这些微生物独家授权给农业生物技术公司Intrinsyx Bio，该公司正在将其开发成一种用于作物的微生物产品，称为接种剂。

今年，分销商Unium Bioscience发布了基于Intrinsyx配方的首款商业产品。名为Tiros，它在英国以液体形式作为种子包衣使用，该团队正在开发粉末和小颗粒形式，可在播种时直接施用于田地。随着种子发芽，微生物随植物生长，并通过分枝根或根毛连接处的裂缝迁移到植物组织中。一旦进入内部，内生菌就会固氮。

在爱荷华州玉米地的早期试验中，施用常规肥料并结合Tiros的种植者每英亩获得了额外六蒲式耳的产量（全州平均为196蒲式耳）。最近的田间试验显示，即使将肥料用量减少多达三分之一，也取得了可喜的成果，但Intrinsyx Bio首席执行官阿桑·阿里表示，还需要进行更多测试。2019年5月，该公司获得了一笔赠款，与圣路易斯附近的唐纳德·丹佛斯植物科学中心（Donald Danforth Plant Science Center）的科学家合作，在250个玉米品种上测试他们的微生物，并找出如何以最少量的氮肥获得最高产量。

从小处着手

“研究中的一大幸事是得不到资金，”诺丁汉大学植物科学家、荣休教授泰德·科金（Ted Cocking）说。

几十年来，科金像其他科学家一样，认为固氮只能发生在豆科植物的根瘤中。他接受过植物生理学、细胞生物学和细菌学的培训，最初的目标是培育能自行长出根瘤的玉米，希望这些根瘤能吸引土壤中已有的固氮细菌。

他成功地让根瘤发芽，并让细菌进入——但只进入死组织。与活体植物的关键共生关系从未形成。随着资金枯竭，他意识到必须采取不同的方法。他想知道，如果细菌不能生活在根瘤中，它们是否能生活在植物的根细胞内。

他的新提案获得了批准，新的资金使他得以继续前进。但他面临着双重挑战。科金需要一种即使在有少量氧气的情况下也能固氮并能穿透植物坚韧细胞壁的细菌。他最终在巴西甘蔗中发现的“固氮葡糖醋杆菌”（*Gluconacetobacter diazotrophicus*）中找到了突破口。

他把固氮葡糖醋杆菌带回实验室，并成功让细菌突破障碍。然后植物细胞用一层薄膜将它们包围起来，通过一种称为内吞作用的自然过程，形成了一个个独立的小气泡。细菌依靠植物在光合作用中产生的糖分生存，并利用细胞自身的能量分子——三磷酸腺苷（ATP）——作为固氮的动力来源。与根瘤菌不同，固氮葡糖醋杆菌即使在有少量氧气的情况下也能固氮——就像在植物细胞中一样。

“我们现在，世界上首次，拥有了固氮细菌与叶绿体并存，几乎融合的植物，”科金说，他指的是植物细胞内负责光合作用的结构。细菌和叶绿体之间的这种密切关系使它们能够直接交换彼此在植物细胞中完成工作所需的糖、氮和ATP。

2012年，总部位于英格兰兰开夏郡的Azotic Technologies公司成立，旨在开发基于科金科学的接种剂。这款名为Envita的产品于今年春天开始商业销售，以液体形式在播种时与种子一起施用。Azotic北美公司总裁兼总经理诺兰·伯格表示，今年它将被添加到超过10万英亩的农田中。Azotic计划在2020年突破100万英亩。

在美国，农民使用正常量的肥料加上Envita，产量增加了多达20%。测试表明，他们可以将肥料减少多达27%，并获得与以前相同的产量。“农民不必在生产力和可持续性之间做出选择，”伯格说。“他们可以兼得。”

大自然的解决方案，就在眼前

在墨西哥瓦哈卡州的米克斯山（Sierra Mixe，发音为MEE-hay）山地森林中，生长着一种玉米——或称玉米——其茎部突出指状结构，渗出透明的胶状薄膜。

这里是玉米的发源地，当地土著人民将野草墨西哥玉米驯化为玉米。千百年来，当地农民优先种植在不同海拔和有时贫瘠的田地里生长最好的玉米。通过这样做，他们培育出各种各样具有不同穗大小、籽粒形状、颜色和质地的植物。如今，这些地方品种或地方种被认为是世界上最古老的玉米品种之一。

但那些产生胶状薄膜的品种有些特别。从20世纪90年代开始，墨西哥科学家开始研究这种黏液，发现它含有固氮细菌。去年，加州大学戴维斯分校的一个团队证实，这种玉米确实利用了细菌产生的氮。此外，他们发现，玉米的祖先——古老的墨西哥玉米——一直具有这种能力。

通过积极选择具有韧性的玉米品种，米克斯山的原住民农民无意中增强了作物与固氮细菌合作的自然能力。与此同时，世界其他地方的农民和育种者却意外地做了相反的事情，给玉米施肥，直到它失去了这种自然能力。现在，玉米未来的秘密似乎可能隐藏在其古老的过去。研究人员成功地在威斯康星州种植了这种“黏糊糊”的玉米，并继续探索未来如何将这种古老的固氮能力引入商业农场。

玉米有其独到之处

回到九月威斯康星州的田地里，戈德斯坦举起一穗玉米。他告诉众人，他已对自家较绿植株的籽粒进行了分析，数据显示存在固氮现象。

他的经典玉米育种方法包括杂交各种栽培品种，包括来自阿根廷、秘鲁和墨西哥米克斯山的古老地方品种。他在高压、营养受限有时甚至是涝渍的条件下种植植物，然后选择那些茁壮成长的品种，这与依靠基因分析选择植物的现代方法不同。戈德斯坦说，迄今为止，他已培育出七个在不施肥情况下表现非常好的杂交品种。

“他的育种工作非常有趣且非常有用，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的作物科学家、副教授马丁·博恩（Martin Bohn）说。

2018年，博恩和他的团队将戈德斯坦的杂交品种以及其他几个品种种植在印第安纳州、伊利诺伊州和爱荷华州的玉米田里，以及在更受控制的温室条件下。他说，戈德斯坦的杂交品种，特别是其中一个，在低、中、高肥料的土壤中，甚至在杂草存在的情况下，都表现出色。博恩认为这与根系有关，它们的根系总是庞大、发达且非常密集。他说，传统植物的根系在氮充足的情况下往往较小，而在缺氮土壤中则会长大。通常，当植物耗费能量长出更大的根系时，其产量可能会受到影响。但博恩说，他没有在戈德斯坦最好的杂交品种中看到这种情况。

“这种根系不仅在结构上不同……而且这些植物可能培养出一种有利于固氮细菌的微生物群落，”博恩说，他长期研究根系如何管理微生物群落以使玉米更容易获得营养。

戈德斯坦最近才发表了他的一些玉米杂交品种存在固氮现象的证据，但他尚未分析这些微生物的基因构成。这种缺乏已发表数据的情况让一些科学家感到不满。一位不愿透露姓名的大学研究教授说，戈德斯坦不了解固氮的工作原理或如何测量它。

但美国农业部研究农艺师阿卜杜拉·贾拉达特（Abdullah Jaradat）曾与戈德斯坦合作进行过资助研究，他说戈德斯坦“着眼于更大的规模，这不一定反映植物与微生物群落之间的细微关系，而是几个物理、化学、生化和环境因素的总体结果。”

贾拉达特认为这种方法在总体上没有缺陷，并表示戈德斯坦为玉米研究带来了价值，因为他收集并杂交了许多品种，利用曾是北美农业支柱的技术重新组合了玉米的遗传来源。在贾拉达特看来，现代分析方法和更传统的育种方法都有其空间。

“新旧之间必须有一个结合，”贾拉达特说，“才能改变目前的局面。”

Tracy Staedter是一位居住在密尔沃基的科学记者，报道可持续性创新。这个故事最初以“The Fix is In”的标题刊登在纸质版上。